(57)【要約】【課題】従来の固体電解質型燃料電池にあっては、空気極層と集電体の接触部が点在しているため、有効接触面積が小さく、空気極層と集電体との接触電気抵抗を充分に低減することができないという問題点があった。【解決手段】固体電解質層１と、固体電解質層１の一方の面に形成した第一の電極層である燃料極層２と、固体電解質層１の他方の面に形成した第二の電極層である空気極層３を備えた固体電解質型燃料電池セルＣ１において、燃料極層２及び空気極層３のうちの少なくとも一方に集電体４を形成し、電極層と集電体４を接合することにより、その接合界面での接触電気抵抗を低減する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層と、固体電解質層の一方の面に形成した第一の電極層と、固体電解質層の他方の面に形成した第二の電極層を備えた固体電解質型燃料電池セルにおいて、第一及び第二の電極層のうちの少なくとも一方の電極層に集電層を形成したことを特徴とする固体電解質型燃料電池セル。
【請求項２】
集電層に、電極層を露出させる開口部が設けてあること特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池セル。
【請求項３】
集電層が線状にパターン形成してあることを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池セル。
【請求項４】
集電層が格子状にパターン形成してあることを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池セル。
【請求項５】
集電層の開口部が多角形状を成していることを特徴とする請求項２又は４に記載の固体電解質型燃料電池セル。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池セルと、燃料ガスと酸化性ガスを分離するセパレータを積層したことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
線状にパターン形成した集電層を有する固体電解質型燃料電池セルと、セパレータを積層したことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質を用い、電気化学反応により電気エネルギーを得る固体電解質型燃料電池セルに関わり、とくに、電極層から電流を取り出すために用いる集電体と電極層との接触電気抵抗を低減した固体電解質型燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池は、酸素イオン又はプロトンなどのイオン導電性を有する固体電解質層と、多孔質材料から成り且つ固体電解質層の一方の面に設けた空気極層と、同じく多孔質材料から成り且つ固体電解質層の他方の面に設けた燃料極層を備えると共に、固体電解質層と空気極層と燃料極層で燃料電池セルを構成し、さらに、燃料電池セルとセパレータを交互に積層して燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
セパレータは、酸化性ガスと燃料ガスを分離するものであるが、空気極層と燃料極層を電気的に接続して各燃料電池セルを直列に接続するインターコネクタを兼ねる場合もある。また、空気極層及び燃料極層との間には、各電極層から電流を取り出すための集電体が配置してある。そして、固体電解質型燃料電池は、空気極層側に酸素を含む酸化性ガスを供給すると共に、燃料極層側に水素や炭化水素等を含む燃料ガス（還元性ガス）を供給し、これらのガスが固体電解質層を介して電気化学的に反応することにより起電力を生じるものとなっている。
【０００４】
上記の固体電解質型燃料電池は、例えば家庭用や自動車用の電源としての実用化が図られているが、とくに自動車の電源に用いる場合には、搭載可能な容積が限られていることから、高出力化とともに小型化が要求されている。このような要求に応じるには、出力性能そのものを高めるための手段を追求するだけでなく、出力性能の低下を引き起こす要因をなくすことが重要である。
【０００５】
ここで、燃料電池の出力性能に影響する要因としては、燃料電池スタックの内部電気抵抗が大きな割合を占めており、この内部電気抵抗の一つとして、電極層から電流を取り出すための集電体と電極層との接触電気抵抗が挙げられる。つまり、燃料電池セルにおける接触電気抵抗が高ければ、燃料電池スタックの内部電気抵抗が高くなり、結果として燃料電池の出力性能が低下する。このため、燃料電池の出力性能の向上には、燃料電池セルにおける集電体と電極層との接触電気抵抗を低減することが必要になっている。
【０００６】
これに対して、従来においては、図８に示すように、固体電解質層１０１を空気極層１０２と燃料極層１０３で挟んで燃料電池セル１００を構成し、空気極層１０２及び燃料極層１０３の夫々の外側に集電体１０４，１０５を配置し、少なくとも空気極層１０２における集電体１０４との接触表面に、燃料電池の運転雰囲気において非酸化性を有する金属粉１０６を点在状態で付着させることにより、空気極層１０２と集電体１０４との接触界面における交換電流密度を上昇させ、同界面での接触電気抵抗を低減して出力性能を向上させるものがあった。
【特許文献１】特開２００３−７３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記したような従来の固体電解質型燃料電池にあっては、空気極層と集電体との接触部が点在しているため、双方の有効接触面積が小さく、空気極層と集電体との接触電気抵抗を出力性能に影響を与えない程度まで充分に低減することができないという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の固体電解質型燃料電池セルは、固体電解質層と、固体電解質層の一方の面に形成した第一の電極層と、固体電解質層の他方の面に形成した第二の電極層を備えた固体電解質型燃料電池セルにおいて、第一及び第二の電極層のうちの少なくとも一方の電極層に集電体を形成した構成としており、電極層と集電体を接合することにより、その接合界面での接触電気抵抗を低減する。
【０００９】
また、本発明の燃料電池スタックは、上記の固体電解質型燃料電池セルと、燃料ガスと酸化性ガスを分離するセパレータを交互に積層した構成としており、電極層と集電体との接触電気抵抗を低減した燃料電池セルを採用することにより、当該燃料電池スタックの内部電気抵抗を低減する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の固体電解質型燃料電池セルによれば、電極層と集電体との間の電気的接合を充分に確保して、その接合界面での接触電気抵抗を低減することができ、この際、接触電気抵抗を出力性能に影響を与えない程度まで充分に低減することができ、これにより当該燃料電池セルを積層して成る燃料電池スタックの内部電気抵抗の低減を実現し、さらには、その燃料電池スタックを構成要素とする燃料電池の出力性能の向上を実現する。また、当該燃料電池セルは、電極層と集電体との接触電気抵抗の低減、すなわち出力性能の低下要因の解消により出力性能の向上をもたらすものであって、構造上の変更はきわめて少ないことから、とくに容積が制限される自動車用電源に用いる場合に、燃料電池全体を小型化することに有効である。
【００１１】
本発明の燃料電池スタックによれば、接触電気抵抗を低減した燃料電池セルを用いることにより、内部電気抵抗を充分に低減することができ、当該燃料電池スタックを構成要素とする燃料電池の出力性能の向上を実現することができる。また、当該燃料電池スタックは、内部電気抵抗の低減、すなわち出力性能の低下要因の解消により出力性能の向上をもたらすものであって、構造上の変更はきわめて少ないことから、とくに容積が制限される自動車用電源に用いる場合に、燃料電池を小型化することに有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の固体電解質型燃料電池セルは、固体電解質層と、固体電解質層の一方の面に形成した第一の電極層と、固体電解質層の他方の面に形成した第二の電極層を備えた固体電解質型燃料電池セルにおいて、第一及び第二の電極層のうちの少なくとも一方の電極層に集電体を形成したものとなっており、より望ましい実施形態としては、集電体に、電極層を露出させる開口部が設けてある構成とし、さらに具体的には、集電体を線状や格子状にパターン形成したり、集電体の開口部を多角形状にしたりすることができる。
【００１３】
そして、当該燃料電池セルは、電極層と集電体を接合することにより、その接合界面での接触電気抵抗を低減することができ、とくに、集電体を線状にパターン形成した場合には、当該燃料電池セルとセパレータを積層した際に集電体同士の間をガス流路として用いることができる。
【００１４】
また、集電体を格子状にパターン形成した場合や、集電体の開口部を多角形状にした場合には、集電体を電気的に並列接続した電流経路にして、電流の取り出しに対する電気抵抗をより低減することができ、とくに、集電体の開口部を多角形状にした場合には、各開口部での集電体への距離を等方的にすることが可能となって、より均一な集電機能を発揮することができ、電流の取り出しに対する電気抵抗をより一層低減し得ることとなる。
【００１５】
さらに、本発明の燃料電池スタックは、上記の固体電解質型燃料電池セルと、燃料ガスと酸化性ガスを分離するセパレータを積層したものであって、より望ましい実施形態として、線状にパターン形成した集電体を有する固体電解質型燃料電池セルと、セパレータを積層した構成にすることができる。これにより、当該燃料電池スタックは、内部電気抵抗を低減し得るほか、集電体同士の間がガス流路の機能を果たすこととなるので、ガス流路を形成していない平板状のセパレータを用いることができ、これによりセパレータの加工が容易になるとともに構造の簡略化を実現し得ることとなる。
【００１６】
このように、本発明の燃料電池セル及び燃料電池スタックは、電極層と集電体との接触電気抵抗及びスタックの内部電気抵抗の低減を実現し、これらを構成要素とする燃料電池の出力性能の向上を実現し得るものとなる。
【００１７】
上記の固体電解質層の材料としては、公知のＮｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３及びＳｃ２Ｏ３などを固溶した安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）や、ＣｅＯ２、Ｂｉ２Ｏ３及びＬａＧａＯ３などを主成分とする固体酸化物を使用することができる。各電極層のうちの燃料極層の材料としては、例えば、Ｎｉ−ＹＳＺ（Ｙ２Ｏ３添加ＺｒＯ２）のようなＮｉと固体電解質材料のサーメット、又はＮｉやＰｔなどの金属を使用することができる。他方、空気極層の材料としては、公知のＬａＭｎＯ３、ＬａＣｏＯ３及びＳｍＣｏＯ３などを主成分とする固体酸化物、又はＡｇやＰｔなどの金属を使用することができる。なお、固体電解質層、燃料極層及び空気極層の材料は、上記各例に限定されるものではない。
【００１８】
燃料極層側の集電体の材料としては、ガス透過性を抑制した、電気抵抗のより低い緻密なものが望ましく、例えばＮｉと固体電解質材料のサーメットのような燃料極層材料と同じ材料を用いることができる。また、Ｎｉ、Ｐｔ及びＣｕなどの低抵抗な金属材料を用いることもでき、且つこれらに限定されるものではない。他方、空気極層側の集電体の材料としては、ガス透過性を抑制した、電気抵抗のより低い緻密なものが望ましく、例えばＬａＭｎＯ３、ＬａＣｏＯ３及びＳｍＣｏＯ３などを主成分とする固体酸化物のような空気極層材料と同じ材料を用いることができる。また、Ａｇ、Ｐｔ及びＡｕなどの低抵抗で耐酸化性の金属材料を用いることもでき、且つこれらに限定されるものではない。
【００１９】
集電体の形成方法としては、真空蒸着法やスパッタ法等の気相成膜法やスクリーン印刷法などの各種成膜方法を用いることができる。また、予め作成した集電体と燃料電池セルを貼り合わせる方法を用いることもでき、且つこれらに限定されるものではない。
【００２０】
さらに、各電極層において集電体に被覆された部分へのガス供給は、電極層内でのガス拡散によって行なわれる。この電極層へのガス供給性を考慮して、発電に有効な電極面積を減少させないために、線状、格子状又は開口部が多角形状にパターン形成される集電体の幅は、電極層の厚さの２倍程度を超えないことが望ましい。
【実施例】
【００２１】
（実施例１）
図１に示す燃料電池セルＣ１は、固体電解質層１の一方の面（図中において下面）に、第一電極層である燃料極層２を設けると共に、固体電解質層１の他方の面に、第二電極層である空気極層３を設けたものである。より具体的には、厚さ０．５ｍｍのＮｉ−ＹＳＺ製の燃料極層２の上面に、ＹＳＺ製の固体電解質層２を厚さ０．０１ｍｍ程度に形成し、さらに、固体電解質層２の上面に、ＬＳＭ（Ｓｒを添加したＬａＭｎＯ３）製の空気極層３を厚さ０．０５ｍｍ程度に形成したものである。そして、空気極層３の上面に、Ａｇを主成分とする集電体４が形成してあり、この実施例では、線状の集電体４が一定間隔で平行にパターン形成してある。
【００２２】
燃料極層２の製造方法としては、ガス透過性を確保するための造孔剤としてのカーボン粉とＮｉＯ粉とＹＳＺ粉を公知のセラミックス焼成方法に基づいて混合焼成する方法がある。このとき、カーボン粉は燃焼により除去されるため、ガスの透過性は造孔剤の割合によって制御することができ、粒径０．００３〜０．０１ｍｍ程度のカーボン粉を５〜３０質量％添加し、大気中において１１００℃で仮焼成することにより、発電に必要なガス透過性が確保された燃料極層２を得ることができる。
【００２３】
上記の方法で作製した燃料極層２上に、公知のスクリーン印刷法によりＹＳＺ製の固体電解質層１を形成する。すなわち、ＹＳＺ原料粉を例えばポリビニルブチラールのような有機材料を用いてペースト化し、これを燃料極層２にスクリーン印刷し、大気中において１４００℃で５時間程度焼成して固体電解質層１を形成する。なお、固体電解質層１の焼成と同時に燃料極層２も本焼成される。この際、ペーストの粘度や印刷時の圧力などにより、固体電解質層１の膜厚を制御することができる。
【００２４】
次に、固体電解質層１の形成方法と同様に、ＬＳＭ原料粉をペースト化し、これを固体電解質層１にスクリーン印刷後、例えば大気中において１１００℃で２時間程度焼成して多孔性の空気極層３を形成する。これにより、燃料極支持型の燃料電池セルＣ１を得ることができる。そして、上記のように作製した燃料電池セルＣ１の空気極層３上に、スクリーン印刷法によってＡｇペーストをパターン印刷し、大気中において８５０℃で３０分間程度焼成することにより線状の集電体４を形成する。
【００２５】
上記の燃料電池セルＣ１は、空気極層３と集電体４との間の電気的接合が充分に確保されたものとなっていて、その接合界面での接触電気抵抗を出力性能に影響を与えない程度まで充分に低減することができる。また、燃料電池セルＣ１は、図示しないセパレータと交互に積層することで燃料電池スタックを構成することとなり、これにより燃料電池スタックの内部電気抵抗を低減し、さらに燃料電池の出力性能の向上を実現すると共に、とくに線状にパターン形成した集電体４を採用したため、集電体４同士の間をガス流路として用いることができ、ガス流路を形成していない平板状のセパレータを採用することが可能となって、構造の簡略化にも貢献し得るものとなる。
【００２６】
（実施例２）
図２に示す燃料電池セルＣ２は、実施例１と同様の方法で、Ｎｉ−ＹＳＺ製の燃料極層２、ＹＳＺ製ｎ固体電解質層１、及びＬＳＭ製の空気極層３を形成した後、Ａｇ製の集電体４をスクリーン印刷法により形成したものであって、とくに、集電体４が、所定間隔で平行配置した横線部分とこれらに交差する少なくとも一本の縦線部分を有する線状にパターン形成してある。このように集電体４を縦横に交差する線状にパターン形成することで、集電体４が電気的に並列接続された電流経路となり、電流の取り出しに対する電気抵抗をより低減し得るものとなる。
【００２７】
（実施例３）
図３に示す燃料電池セルＣ３は、実施例１と同様の方法で、Ｎｉ−ＹＳＺ製の燃料極層２、ＹＳＺ製の固体電解質層１、及びＬＳＭ製の空気極層３を形成した後、Ａｇ製の集電体４をスクリーン印刷法により形成したものであって、とくに、集電体４が、格子状にパターン形成してある。このように集電体４を格子状にパターン形成することで、集電体４が電気的に並列接続された電流経路となり、実施例２と同様に、電流の取り出しに対する電気抵抗をより一層低減し得るものとなる。
【００２８】
（実施例４）
図４に示す燃料電池セルＣ４は、実施例１と同様の方法で、Ｎｉ−ＹＳＺ製の燃料極層２、ＹＳＺ製の固体電解質層１、及びＬＳＭ製の空気極層３を形成した後、Ａｇ製の集電体４をスクリーン印刷法により形成したものであって、とくに、集電体４が、その開口部が正六角形となるようにパターン形成してある。このように、集電体４の開口部を正六角形にパターン形成することで、各開口部での集電体４への距離がより等方的となり、より均一な集電機能を発揮できるため、電流の取り出しに対する電気抵抗をより低減し得るものとなる。
【００２９】
（実施例５）
実施例１と同様の方法で、Ｎｉ−ＹＳＺ製の燃料極層、ＹＳＺ製の固体電解質層、及びＬＳＭ製の空気極層を形成した後、集電体として、公知のテープキャスト法によって空気極層と同様のＬＳＭから成るグリーンシートを形成し、このグリーンシートを積層し且つ焼成することで所定のパターンに形成した。なお、集電体は、実施例１〜４と同様に、線状、縦横に交差する線状、格子状及び開口部が正六角形を成す形状や、それ以外の多角形状を成すように形成することができる。この実施例においても、先の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
（実施例６）
図５に示す燃料電池セルＣ５は、厚さ０．５ｍｍのＬＳＧＭ（Ｓｒ、Ｍｇ添加ＬａＧａＯ３）製の固体電解質層１における一方の面に、Ｎｉ−ＳＤＣ（Ｓｍ添加ＣｅＯ２）製の燃料極層２を厚さ０．０５ｍｍ程度に形成し、他方の面に、ＳＳＣ（Ｓｒ添加ＳｍＣｏＯ３）製の空気極層３を厚さ０．０５ｍｍ程度に形成したものである。そして、燃料極層２の表面に、緻密なＮｉ−ＳＤＣから成る集電体４Ａが線状にパターン形成してあると共に、空気極層３の表面に、緻密なＳＳＣから成る集電体４Ｂが線状にパターン形成してある。
【００３１】
この実施例では、公知のセラミックス技術を用いて作製したＬＳＧＭ製の固体電解質層１の一方の面に、スクリーン印刷法によりＮｉ−ＳＤＣ層を形成し、且つ焼成して厚さ０．０５ｍｍ程度の燃料極層２を形成した。同様に、固体電解質層１の他方の面に、スクリーン印刷法によりＳＳＣ層を形成し、且つ焼成して厚さ０．０５ｍｍ程度の空気極層３を形成した。
【００３２】
また、燃料極層２の集電体４Ａは、テープキャスト法によって燃料極層２と同様のＮｉ−ＳＤＣから成る厚さ０．５ｍｍのグリーンシートを形成し、これを所定のパターンに形成し、さらに上記グリーンシートを積層して焼成することでパターン形成してある。空気極層３側の集電体４Ｂは、同様に、テープキャスト法によって空気極層３と同様のＳＳＣから成る厚さ０．５ｍｍのグリーンシートを形成し、これを所定のパターンに形成し、さらに上記グリーンシートを積層して焼成することでパターン形成してある。このようにして、燃料極層２と空気極層３の両方に集電体４Ａ，４Ｂを形成した。この実施例においても、燃料極層２と空気極層３の両方において、集電体４Ａ，４Ｂとの充分な電気的接合が得られ、その接合界面での接触電気抵抗を充分に低減することができる。
【００３３】
（実施例７）
図６に示す燃料電池スタックＳ１は、実施例１〜５（図１〜図４参照）のいずれかにおいて作製した燃料電池セルＣと、燃料ガスと酸化性ガスを分離するセパレータ５とを交互に積層したものである。セパレータ５は、インコネル等の耐熱性金属製であって、一方の面に、上段の燃料電池セルＣの燃料極層２に当接する突部５ａが形成してあると共に、他方の面に、下段の燃料電池セルＣの集電体４に当接する突部５ｂが形成してあり、上下の燃料極層２及び空気極層３との間にガス流路６Ａ，６Ｂを形成する。なお、最上段及び最下椴のセパレータ５は、スタック内部側のみに突部を有するものでよい。セパレータ５の突部５ａ，５ｂは、ガス流路を形成し得るように所定の方向に連続しており、例えば機械加工により形成することができる。
【００３４】
この実施例においては、五枚の燃料電池セルＣを備えた燃料電池スタックＳ１を６００℃に保持した電気炉内に設置し、酸化性ガスとして空気を供給すると共に、燃料として水素ガスを供給して発電特性を評価した。また、比較例として、従来の多孔質集電体を用いて、本発明の集電体を具備しない燃料電池セルから成る燃料電池スタックを作成し、本実施例の燃料電池スタックＳ１と比較例の燃料電池スタックの出力特性を比較した。
【００３５】
その結果、０．２Ａ／ｃｍ２の電流密度において、実施例の燃料電池スタックＳ１の出力電圧はセル当たり０．６５Ｖであり、他方、比較例の燃料電池スタックの出力電圧はセル当たり０．６０Ｖであって、実施例の燃料電池スタックＳ１の方が高い出力電圧となった。すなわち、この実施例においては、電流密度０．２Ａ／ｃｍ２での出力密度が、０．１２Ｗ／ｃｍ２から０．１３Ｗ／ｃｍ２に１０％弱向上した。この効果は、より電流密度の高い運転条件で顕著であって、高性能の燃料電池スタックＳ１を提供できることが確認できた。
【００３６】
（実施例８）
図７に示す燃料電池スタックＳ２は、実施例６（図５参照）において作成した燃料電池セルＣ５と、燃料ガスと酸化性ガスを分離するセパレータ５とを交互に積層したものである。セパレータ５は、ガス流路を形成していない平板状の耐熱性金属板である。つまり、この実施例では、燃料電池セルＣ５の両側にパターン形成した集電体４Ａ，４Ｂが線状を成すものであることから、集電体４Ａ，４Ｂがガス流路６Ａ，６Ｂを形成する機能を有している。この実施例にあっても、実施例７の場合と同様に比較例とともに発電特性を評価した結果、高性能の燃料電池スタックＳ２を提供できることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の燃料電池セルの一実施例を示す斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池セルの他の実施例を示す斜視図である。
【図３】本発明の燃料電池セルのさらに他の実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明の燃料電池セルのさらに他の実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明の燃料電池セルのさらに他の実施例を示す斜視図である。
【図６】本発明の燃料電池スタックの一実施例を示す断面図である。
【図７】本発明の燃料電池スタックの他の実施例を示す断面図である。
【図８】従来の燃料電池セルを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１                固体電解質層
２                燃料極層（第一の電極層）
３                空気極層（第二の電極層）
４  ４Ａ  ４Ｂ    集電体
５                セパレータ
Ｃ  Ｃ１〜Ｃ５    燃料電池セル
Ｓ１  Ｓ２        燃料電池スタック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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